薛景宏，婁彥鵬

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

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跨斷層埋地變徑管道抗震分析

薛景宏，婁彥鵬

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

為提高變管徑管道的抗震性能，采用四節(jié)點(diǎn)殼單元模型模擬埋地管道，管土間相互作用采用非線性土彈簧模擬，通過有限元軟件ADINA分析走滑斷層下埋地變徑管道的地震響應(yīng)。研究了管線變徑位置與斷層位置關(guān)系、場地土類別及管道壁厚對管道造成的影響。結(jié)果表明:跨斷層埋地變徑管道的薄弱位置多為變徑裝置與小直徑管段連接處。該研究可以為跨斷層埋地變徑管道抗震設(shè)計(jì)提供參考。

變徑管道； 走滑斷層； 薄弱位置

管道工程是生命線工程之一，隨著人口的增多與經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，埋地管道不僅是能源運(yùn)輸?shù)闹匾侄?，也是人們?nèi)粘Ｉ钪谢A(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。管道工程在諸多方面得到應(yīng)用，如油氣的運(yùn)輸、城市給排水、北方地區(qū)的供熱等。近年來，自然災(zāi)害頻發(fā)，尤其是地震災(zāi)害，使埋地管道受到巨大的破壞，有些地區(qū)不僅造成了管道自身的破壞，還發(fā)生了次生災(zāi)害，如核泄漏、火災(zāi)、爆炸等，不僅給國家?guī)韲?yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還給人們的生命帶來威脅[1-4]。

通過對管道震害分析，國內(nèi)外學(xué)者在跨斷層埋地管線的地震反應(yīng)方面做了大量的理論、實(shí)驗(yàn)研究，取得了很多成果[5-11]。但是，這些研究成果大多是基于直埋同徑管線為研究對象得出的理論方法，在工程實(shí)踐中，管線不可避免地要變徑。因此，筆者在眾多研究的基礎(chǔ)上，利用ADINA有限元軟件，建立跨斷層埋地變徑管道的土彈簧模型，研究變徑位置與斷層位置關(guān)系、場地土類別及管道壁厚對管道軸向應(yīng)變峰值的影響。

1　計(jì)算模型的建立

采用土彈簧法模擬跨斷層埋地變徑管道，遠(yuǎn)離斷層管土相互作用處理成非線性等效邊界[12]，運(yùn)用ADINA有限元軟件建立跨斷層埋地變徑管道彈簧模型。

1.1幾何模型及網(wǎng)格劃分

管道材料為API5LX60進(jìn)口鋼材，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用輸油氣鋼質(zhì)管道抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的三折線簡化模型，見圖1。管道的總長度取100 m，采用四節(jié)點(diǎn)殼單元對管道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過ADINA有限元軟件的自動劃分網(wǎng)格功能進(jìn)行單元劃分，管軸方向?yàn)?.5 m一個(gè)單元，管道圓周方向劃分為16個(gè)單元。文中分析的是走滑斷層下的跨斷層埋地變徑管道，如圖2所示，有限元模型如圖3所示。

圖2　跨斷層埋地變徑管道模型

圖3　土彈簧變徑管道有限元模型

Fig.3Finite element soil spring model of variable- diameter pipeline

1.2地震波輸入與土彈簧模擬

地震波載荷采用位移時(shí)程的方式輸入，在計(jì)算中采用集集地震波的二類場地地震波記錄，在計(jì)算時(shí)將地震波位移時(shí)程反向施加在斷層兩側(cè)的土彈簧上。

采用拉壓土彈簧，在每個(gè)管道節(jié)點(diǎn)上，分別建立水平方向、垂直方向、軸向土彈簧，土彈簧為非線性彈簧。

水平方向土彈簧、垂直方向土彈簧、軸向土彈簧的性質(zhì)主要依賴于土壤性質(zhì)，一般根據(jù)ASCEGB 50470—2008《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》選取[13]。文中采用中密砂，土壤內(nèi)摩擦角為35°，剪切波速為250 m/s，大管徑D1=0.762 m和小管徑D2=0.508 m條件下三個(gè)方向土彈簧屈服力Pu和屈服位移Δu見表1。

表1　土彈簧屈服力和屈服位移

2　數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1地震波波型對跨斷層埋地變徑管道的影響

建立并分析中砂場地下的跨斷層埋地變徑管道，管土間摩擦取0.4，管道材料為進(jìn)口鋼材API5LX60，大管徑D1=0.762 m,壁厚δ=0.023 8 m,小管徑D2=0.508 m,壁厚δ=0.023 8 m,斷層與管道交角為90°，斷層錯(cuò)距為5 m，管線變徑位置在斷層處，位移波為集集地震位移波。分別模擬了mainTCU052波、mainTCU065波、mainTCU067波時(shí)的跨斷層埋地變徑管道，地震波位移時(shí)程曲線如圖4所示。

通過有限元模擬，地震波為mainTCU052波、mainTCU065波、mainTCU067波時(shí)，最大拉(壓)應(yīng)變點(diǎn)均大約在變徑裝置與小直徑管段連接處。

a　mainTCU052波

b　mainTCU065波

c　mainTCU067波

跨斷層埋地變徑管道軸向最大拉(壓)應(yīng)變見表2。通過表2中最大拉(壓)應(yīng)變值發(fā)現(xiàn)，在三條不同地震位移波作用下，管道軸向最大拉(壓)應(yīng)變值相差不大。

表2不同地震波時(shí)管道最大拉(壓)應(yīng)變值

Table 2Maximum tensile(compressive) strain of different seismic wave

地震波εt/10-2εc/10-2mainTCU0520.96825-0.96752mainTCU0651.07603-1.07515mainTCU0671.13312-1.13312

2.2變徑位置對跨斷層埋地變徑管道的影響

建立并分析中砂場地下的跨斷層埋地變徑管道，管土間摩擦取0.4，管道材料為進(jìn)口鋼材API5LX60,D1=0.762 m,δ=0.023 8 m,D2=0.508 m,δ=0.023 8 m,斷層與管道交角為90°，位移波為mainTCU065波，斷層錯(cuò)距為5 m，分別模擬管線變徑位置在斷層處、斷層右10 m處、斷層左10 m處、斷層右20 m處、斷層左20 m處、斷層右30 m處、斷層左30 m處的跨斷層埋地變徑管道。管道變徑位置與斷層關(guān)系位置如圖5所示。

跨斷層埋地變徑管道整體應(yīng)變云圖分別如圖6～9所示。其最大拉(壓)應(yīng)變見表3。

圖5　管道變徑位置與斷層關(guān)系位置Fig.5　Relationship between variable-diameter pipeline and fault location

圖6　變徑位置在斷層線處應(yīng)變云圖Fig.6　Strain cloud of variable-diameter position at fault line

a　左側(cè)

b　右側(cè)

Fig.7Strain cloud of variable-diameter position at 10 meters of fault line

a　左側(cè)

b　右側(cè)

Fig.8Strain cloud of variable-diameter position at 20 meters of fault line

a　左側(cè)

b　右側(cè)

Fig.9Strain cloud of variable-diameter position at 30 meters of fault line

由圖6～9可見，管道變徑位置在斷層處、左側(cè)10 m、右側(cè)10 m、左側(cè)20 m處時(shí)，最大拉(壓)應(yīng)變點(diǎn)大約在變徑裝置與小直徑管段連接處。管道變徑位置在斷層右側(cè)20 m、右側(cè)30 m、左側(cè)30 m處管道軸向最大拉(壓)應(yīng)變點(diǎn)大約在斷層交線處管徑截面。

表3不同變徑位置管道最大拉(壓)應(yīng)變值

Table 3Maximum tensile(compressive) strain of different variable-diameter position

d/mεt/10-3εc/10-3010.76030-10.7515010左3.25369-3.25369右2.91022-2.9100120左3.41308-3.41289右2.29132-2.2910530左3.92946-3.92925右1.98725-1.98286

通過表3發(fā)現(xiàn)，在地震位移波作用下，變徑位置在斷層處的最大拉(壓)應(yīng)變值最大；當(dāng)變徑位置在斷層右側(cè)時(shí)，變徑位置距離斷層越近，拉(壓)應(yīng)變值越大；當(dāng)變徑位置在斷層左側(cè)時(shí)，變徑位置距離斷層越遠(yuǎn)，拉(壓)應(yīng)變值越大。

2.3場地土類別對跨斷層埋地變徑管道的影響

建立并模擬松砂、中砂、密砂三種場地下的跨斷層埋地變徑管道，管道材料為進(jìn)口鋼材API5LX60，D1=0.762 m,δ=0.023 8 m,D2=0.508 m,δ=0.023 8 m,斷層與管道交角為90°，位移波為集集地震mainTCU065波，斷層錯(cuò)距為5 m，管線變徑位置在斷層處。場地土參數(shù)及土彈簧參數(shù)分別見表4、5。表中φ、v、ρ、μ分別為場地土的內(nèi)摩擦角、剪切波速、土壤密度和管土摩擦系數(shù)。

表4　場地土參數(shù)

表5　土彈簧屈服力和屈服位移

通過有限元模擬，場地土為松砂、中砂、密砂時(shí)，最大拉(壓)應(yīng)變點(diǎn)場大約在變徑裝置與小直徑管段連接處。

跨斷層埋地變經(jīng)管道軸向最大拉(壓)應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表6不同場地管道最大拉(壓)應(yīng)變值

Table 6Maximum tensile(compressive) strain of different site soil

場地類別εt/10-2εc/10-2松砂0.82932-0.82891中砂1.07603-1.07515密砂9.03744-9.03541

通過表6中最大拉(壓)應(yīng)變值發(fā)現(xiàn)，在地震位移波作用下，場地土為密砂時(shí)，管道軸向最大拉(壓)應(yīng)變值最大,中砂次之，松砂最小。

2.4管道壁厚對跨斷層埋地變徑管道的影響

建立并分析中砂場地下的跨斷層埋地變徑管道，管土間摩擦取0.4，管道材料為進(jìn)口鋼材API5LX60，D1=0.762 m,D2=0.508 m,斷層與管道交角為90°，位移波為集集地震mainTCU065波，斷層錯(cuò)距為5 m，管線變徑位置在斷層處,分別模擬了管道壁厚δ為0.015 9、0.023 8、0.031 8 m的跨斷層埋地變徑管道。

通過有限元模擬發(fā)現(xiàn)，壁厚為0.015 9、0.023 8、0.031 8 m時(shí)，最大拉(壓)應(yīng)變點(diǎn)均大約在變徑裝置與小直徑管段連接處。

跨斷層埋地變徑管道軸向最大拉(壓)應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表7不同壁厚管道最大拉(壓)應(yīng)變值

Table 7Maximum tensile(compressive) strain of different thickness

δ/mεt/10-2εc/10-20.01594.80799-4.806670.02381.07603-1.075150.03180.30059-0.30055

通過表7中最大拉(壓)應(yīng)變值發(fā)現(xiàn)，在地震位移波作用下，壁厚為0.015 9 m時(shí)，管道軸向最大拉(壓)應(yīng)變值最大,壁厚為0.023 8 m時(shí)次之，壁厚為0.031 8 m時(shí)最小。

3　結(jié)束語

大直徑管段通過斷層時(shí)的抗震性能比小直徑管段通過斷層時(shí)要好；通過對跨斷層埋地變徑管道有限元模擬，管道的壁厚越大，其抗震性能越好；選址時(shí)，盡量選取松散的沙礫，中、粗砂的場地。研究表明，變徑管道的薄弱位置多為變徑裝置與小直徑管段連接處，因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，如果需要變徑，應(yīng)使大直徑管段穿越斷層，在變徑裝置與小直徑管段連接處需要加強(qiáng)抗震措施設(shè)計(jì)。該研究對跨斷層埋地變徑管道抗震設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

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(編輯徐巖)

Seismic analysis of cross-fault buried variable-diameter pipeline

XUE Jinghong，LOU Yanpeng

(School of Civil Engineering and Arohitecture,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

This paper aims to improve the seismic ability of variable-diameter pipelines.The study is focused on the simulation of the buried pipelines using shell element model of four nodes,and the interaction between soil and pipeline using nonlinear soil spring;the analysis of the seismic response of buried variable-diameter pipeline under strike slip fault using the software ADINA;and the exploration of the influence on pipeline response by the relationship between pipeline variable-diameter position,fault position,the thickness of pipes,and the type of site soil.The study proves that the weak position of cross-fault buried variable-diameter pipeline occurs in the joints between diameter devices and small diameter pipelines.The research may provide a reference for the seismic design of cross-fault buried variable-diameter pipelines.

variable-diameter pipeline;strike slip fault;weak position

2016-04-06

中國石油天然氣股份有限公司科技風(fēng)險(xiǎn)創(chuàng)新項(xiàng)目(07-06D-01-04-04-03)

薛景宏(1968- )，男，吉林省梨樹人，教授，博士，研究方向：防災(zāi)減災(zāi)工程，E-mail:xjh0459@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.03.008

TU352.1;TU990.3

2095-7262(2016)03-0272-05

A